材料研究方法显微镜部分(化学专业）全册配套完整课件2

1、3第二章 电子束与物质作用产生的信号第三章 扫描电子显微镜的结构及工作原理 第四章 扫描电子显微镜的操作与应用主要内容第一章 电子光学基础 电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子流电子流对样品的透射或反射及对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大电磁透镜的多级放大后在后在荧光屏上成像的大型仪器。荧光屏上成像的大型仪器。4第一章第一章 电子光学基础电子光学基础1.1 1.1 电子显微镜概述电子显微镜概述电子显微镜由电子流代替可见光，电子显微镜由电子流代替可见光，由磁场代替透镜，让电子的运动代替光子。由磁场代替透镜，让电子的运动代替光子。光学显微镜则是利用可见光照明

2、，光学显微镜则是利用可见光照明，将微小物体形成放大影像的光学仪器。将微小物体形成放大影像的光学仪器。“数码显微镜数码显微镜” : : 光学显微镜光学显微镜56样品样品物镜物镜光源光源可见光可见光光 镜聚光镜聚光镜投影镜投影镜图图像像样品样品电磁聚光镜电磁聚光镜扫描线圈扫描线圈探测器探测器扫描电镜电子束电子束光学显微镜和扫描电镜的光路比较扫描电镜图像光学显微镜图像扫描电镜和光学显微镜的图像比较大约在大约在400400年年前（前（15901590年），年），由荷兰科学家杨由荷兰科学家杨森和后来的博物森和后来的博物学家列文虎克发学家列文虎克发明和完善的显微明和完善的显微镜，向人们揭示镜，向人们揭示了

3、一个陌生的微了一个陌生的微观世界，他们是观世界，他们是开辟人类显微分开辟人类显微分析的始祖。析的始祖。8列文虎克列文虎克19世纪世纪现在，最好的光学显微镜可以达到现在，最好的光学显微镜可以达到20002000倍的放大倍数。倍的放大倍数。9现代的光学显微镜现代的光学显微镜不管如何完善光学显微镜的透镜和结构，其放大不管如何完善光学显微镜的透镜和结构，其放大倍数和分辨率总是被限定在倍数和分辨率总是被限定在20002000多倍和几百纳多倍和几百纳米的水平，不可能再有新的突破。米的水平，不可能再有新的突破。10111924 德布罗意波：电子的波粒二象性德布罗意波：电子的波粒二象性19261927电子波的

4、波长随着加速电压的改变而改变；电子波的波长随着加速电压的改变而改变；布施：具有轴对称的磁场对电子束起着汇聚的作用。布施：具有轴对称的磁场对电子束起着汇聚的作用。1932第一台透射电子显微镜诞生：放大倍数第一台透射电子显微镜诞生：放大倍数12121717倍倍1934透射电子显微镜的分辨率提高到透射电子显微镜的分辨率提高到50nm50nm1.2 1.2 电子显微镜的诞生与发展电子显微镜的诞生与发展50年代英、法、荷、日、美、苏等国透射电子显微镜已批量生产；英、法、荷、日、美、苏等国透射电子显微镜已批量生产；同时，晶体缺陷理论得到证实。同时，晶体缺陷理论得到证实。60年代 透射电子显微镜的分辨率提高

5、到透射电子显微镜的分辨率提高到0.5nm0.5nm；商品用扫描电子显微镜的分辨率商品用扫描电子显微镜的分辨率25nm25nm70-80年代电子显微学科诞生。电子显微学科诞生。1942剑桥大学马伦：第一台扫描电子显微镜诞生剑桥大学马伦：第一台扫描电子显微镜诞生12德国 ZEISS日本 HITACHI美国 FEI荷兰 Philips现在电子显微镜的分辨率可达到0.01nm可携带的附件：可携带的附件：X X射线波谱分析仪、射线波谱分析仪、X X射线能谱仪、自射线能谱仪、自动图像分析仪、背散射衍射仪等等。功能越来越强大。动图像分析仪、背散射衍射仪等等。功能越来越强大。简单地说，分辨率就是能够把两个点分

6、辨开的最小简单地说，分辨率就是能够把两个点分辨开的最小距离。距离。人眼睛的分辨率大约为人眼睛的分辨率大约为0.10.1个毫米。个毫米。所以，要想看清比所以，要想看清比0.10.1个毫米还小的东西，就要借助个毫米还小的东西，就要借助于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的物于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的物体至少放大到体至少放大到0.10.1个毫米以上，才能看清它。个毫米以上，才能看清它。131.3 1.3 电子光学基础电子光学基础 r r0 0：两物点的间距；两物点的间距； ：光线的波长；：光线的波长； n n：透镜周围介质的折射率；：透镜周围介质的折射率； ：孔径角，即物点发出能

7、进入透镜成像的：孔径角，即物点发出能进入透镜成像的光线锥的锥顶角的半角光线锥的锥顶角的半角； nsinnsin称为数值孔径；称为数值孔径； 根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：14将玻璃透镜的一般参数代入上式，即最将玻璃透镜的一般参数代入上式，即最大孔径半角大孔径半角=70-75 ，在介质为油的情况下，在介质为油的情况下，n1.5,其数值孔径其数值孔径n sin1.25-1.35，上式，上式可化简为：可化简为：15这说明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，波长这说明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，波长越短，分辨率越大。只有比光线波长一半还大的物体越短

8、，分辨率越大。只有比光线波长一半还大的物体才会产生反射光而被放大看到。所以，用最好的光学才会产生反射光而被放大看到。所以，用最好的光学显微镜，其分辨率也只能是可见光波长的一半。显微镜，其分辨率也只能是可见光波长的一半。不同波长光源分辨本领的比较不同波长光源分辨本领的比较1617u可见光的波长范围为可见光的波长范围为390 760nm 390 760nm (1nm=10)(1nm=10)，因此光学显微镜的分辨率的极限是，因此光学显微镜的分辨率的极限是200nm200nm。u紫外线（紫外线（400nm400nm）作光源，分辨率可提高一）作光源，分辨率可提高一倍。现代紫外光显微镜的分辨率可达到倍。现

9、代紫外光显微镜的分辨率可达到100nm100nm。u要制造更高分辨率的显微镜，必须采用波长更要制造更高分辨率的显微镜，必须采用波长更短的波作为成像媒介。短的波作为成像媒介。如何得到短波长？如何得到短波长？ 已知电子束具有波动性，对于运动速度为已知电子束具有波动性，对于运动速度为v，质量为质量为m的电子波的波长为：的电子波的波长为： =h/mvh普朗克常数；普朗克常数；m电子的质量；电子的质量；V电子的速度。电子的速度。 电子的速度电子的速度v和加速电压和加速电压U之间之间: eU 1/2 mv2 e电子所带的电荷。电子所带的电荷。 即即 v （2eU/m）1/2 18由此得由此得 h/(2em

10、U)h/(2emU)1/21/2代入代入h=6.62h=6.6210-34J.S, m=9.1110-34J.S, m=9.1110-31kg10-31kg， e=1.60e=1.6010-19c 10-19c 12.25/U12.25/U1/2 1/2 U U的单位用伏特，的单位用伏特， 的单位为的单位为。 19 前面计算的过程中，电子的质量采用前面计算的过程中，电子的质量采用的是静止时的质量，但根据相对论理论，的是静止时的质量，但根据相对论理论，在高速运动的情况下，其质量有变化：在高速运动的情况下，其质量有变化： m mm m0 0/1-(v/c)/1-(v/c)2 2 1/21/2 v

11、v为电子运动的速度，为电子运动的速度，c c为光速。为光速。 波长与电压的计算公式应校正为：波长与电压的计算公式应校正为： 12.25/U(1+0.978812.25/U(1+0.97881010-6-6U)U)1/21/2200.00870.0087100010000.06980.069830300.01420.01425005000.08590.085920200.02510.02512002000.1220.12210100.03700.03701001000.1730.1735 50.04180.041880800.1940.1944 40.04870.048760600.2240.2

12、243 30.05360.053650500.2740.2742 20.06010.060140400.3880.3881 1电子波波长电子波波长/加速电压加速电压/KV/KV电子波波长电子波波长/加速电压加速电压/KV/KV 不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）21u可见光的波长在可见光的波长在3900-76003900-7600之间，在常用的之间，在常用的100-200KV100-200KV加速电压下，电子波的波长要比可见加速电压下，电子波的波长要比可见光小光小5 5个数量级个数量级u只要能使加速电压提高到一定值就可得到很短只要能使加速电压提

13、高到一定值就可得到很短的电子波。的电子波。u用高压加速电子就成为近代电镜的最重要特点，用高压加速电子就成为近代电镜的最重要特点，用这样的电子波作为照明源就可显著提高显微用这样的电子波作为照明源就可显著提高显微镜的分辨率。镜的分辨率。22那么能不能制造出使电子波聚焦成像的透镜？那么能不能制造出使电子波聚焦成像的透镜？ u 电子是带负电的粒子，在静电场中会受到电子是带负电的粒子，在静电场中会受到电场力的作用，使运动方向发生偏转，设计电场力的作用，使运动方向发生偏转，设计静电场的大小和形状可实现电子的聚焦和发静电场的大小和形状可实现电子的聚焦和发散。散。把把 由静电场制成的透镜称为静电透镜由静电场制

14、成的透镜称为静电透镜，在电子显微镜中，发射电子的电子枪就是利在电子显微镜中，发射电子的电子枪就是利用静电透镜。用静电透镜。静电透镜静电透镜23u运动的电子在磁场中也会受磁场力的作用发运动的电子在磁场中也会受磁场力的作用发生偏折，从而达到会聚和发散，由磁场制成生偏折，从而达到会聚和发散，由磁场制成的透镜称为的透镜称为磁透镜磁透镜。用通电线圈产生的磁场用通电线圈产生的磁场来使电子波聚焦成像的装置叫来使电子波聚焦成像的装置叫电磁透镜电磁透镜。 24电磁透镜电磁透镜由于静电透镜从性能上不如电磁透镜，所以在目前由于静电透镜从性能上不如电磁透镜，所以在目前研制的电子显微镜中都采用电磁透镜。研制的电子显微镜

15、中都采用电磁透镜。 电磁透镜电磁透镜 静电透镜静电透镜 1.1.改变线圈中的电流改变线圈中的电流强度可很方便的控制强度可很方便的控制焦距和放大倍率焦距和放大倍率1.1.需改变加速电压才需改变加速电压才可改变焦距和放大率可改变焦距和放大率2.2.无击穿，供给电磁无击穿，供给电磁透镜线圈的电压低透镜线圈的电压低2.2.静电透镜需数万伏静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿电压，常会引起击穿3.3.像差小像差小3.3.像差较大像差较大25Comparison（1 1）电磁透镜的聚焦原理）电磁透镜的聚焦原理电子在磁场中的运动：电子在磁场中的运动：26电子电子磁力线磁力线运动电子在磁场中受到运动电子在磁场中

16、受到LorentzLorentz力作用，其表力作用，其表达式：达式：式中：式中：e-e-运动电子电荷；运动电子电荷； v-v-电子运动速度矢量；电子运动速度矢量； B-B-磁感应强度矢量；磁感应强度矢量； F-F-洛仑兹力洛仑兹力 。 显然，显然，F F的方向垂直于矢量的方向垂直于矢量v v和和B B所决定所决定的平面，力的方向可由左手法则确定。的平面，力的方向可由左手法则确定。 27BV-eF（1 1）vBvB，则，则F=0F=0，电子不受磁场力作用，其运动速度，电子不受磁场力作用，其运动速度的大小及方向不变；的大小及方向不变；（2 2）若）若vBvB，即只改变运动方向，不改变运动速度，即只

17、改变运动方向，不改变运动速度，从而使电子在垂直于磁力线方向的平面上做匀速圆周运从而使电子在垂直于磁力线方向的平面上做匀速圆周运动。动。（3 3）若）若v v与与B B既不垂直也不平行，而成一定夹角，则其既不垂直也不平行，而成一定夹角，则其运动轨迹为螺旋线。运动轨迹为螺旋线。28如何使运动的电子在磁场中会聚？轴对称的磁场29电电磁磁透透镜镜聚聚焦焦原原理理示示意意图图1ab30电电磁磁透透镜镜聚聚焦焦原原理理示示意意图图2c31玻璃凸透镜聚焦玻璃凸透镜聚焦电电磁磁透透镜镜聚聚焦焦原原理理示示意意图图3d32与光学透镜相似，电磁透镜的物距、像距与光学透镜相似，电磁透镜的物距、像距和焦距三者之间的关

18、系式及放大倍数为：和焦距三者之间的关系式及放大倍数为：1/f=1/L1+1/L2 M=L2/L1 M=f/(L1-f)f焦距；焦距；L1物距；物距；L2像距像距;M放大倍数放大倍数33电磁透镜的焦距可由下式近似计算电磁透镜的焦距可由下式近似计算f=KUr/（IN)2K常数；常数；Ur经相对论校正的电子的加速电压；经相对论校正的电子的加速电压；（IN)电磁透镜激磁安匝数电磁透镜激磁安匝数(励磁强度，为励磁强度，为电流强度电流强度I和线圈匝数和线圈匝数N之积）。之积）。34无论激磁方向如何，激磁焦距总是正的。无论激磁方向如何，激磁焦距总是正的。改变激磁电流，电磁透镜的焦距和放大倍数将改变激磁电流，

19、电磁透镜的焦距和放大倍数将发生相应改变。发生相应改变。电磁透镜是一种变焦距或变倍率的会聚透镜电磁透镜是一种变焦距或变倍率的会聚透镜，这是它有别于光学玻璃凸透镜的一个特点。这是它有别于光学玻璃凸透镜的一个特点。35（2 2）电磁透镜的缺陷）电磁透镜的缺陷 电子波波长很短，在电子波波长很短，在100KV100KV的加速电压下，电子的加速电压下，电子波波长为波波长为0.0370.037，用这样短波长的电子波做显微镜，用这样短波长的电子波做显微镜的照明源，的照明源， 根据根据rr0 0=1/2=1/2 显微镜的最小分辨率可达显微镜的最小分辨率可达0.020.02左右。然而到目前左右。然而到目前为止，电

20、镜的最佳分辨率仍停留在为止，电镜的最佳分辨率仍停留在0.01nm0.01nm的水平。的水平。 Why？36l像差分成两类，即像差分成两类，即几何像差几何像差和和色差色差。l几何像差几何像差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的，几何像差主要指的，几何像差主要指球差球差和和像散像散l色差色差是由于电子波的是由于电子波的波长或能量波长或能量发生一定幅度的发生一定幅度的改改变变而造成的。而造成的。 37原因：电磁透镜存在像差原因：电磁透镜存在像差a a、球差（球面像差）、球差（球面像差） 球差是由于电磁透镜中心区域和边缘区域磁场强度球差是由于电磁透镜中心区域和边缘

21、区域磁场强度的差异，从而造成对电子会聚能力不同而造成的。的差异，从而造成对电子会聚能力不同而造成的。 远轴电子通过透镜时被折射得比近轴电子要厉害得远轴电子通过透镜时被折射得比近轴电子要厉害得多，因而由同一物点散射的电子经过透镜后不交在一多，因而由同一物点散射的电子经过透镜后不交在一点上，而是在透镜像平面上变成了一个漫射圆斑。点上，而是在透镜像平面上变成了一个漫射圆斑。 最小散焦斑38b.b.像散像散 像散是由于透镜的磁场轴向不对称所引起的一种像散是由于透镜的磁场轴向不对称所引起的一种像差。磁场不同方向对电子的折射能力不一样，电子像差。磁场不同方向对电子的折射能力不一样，电子经透镜后形成界面为椭

22、圆状的光束，使圆形物点的像经透镜后形成界面为椭圆状的光束，使圆形物点的像变成了一个漫射圆斑。变成了一个漫射圆斑。 39C C、色差、色差 色差是由于成像电子的能量或波长不同而引起的一色差是由于成像电子的能量或波长不同而引起的一种像差。能量大的电子在距透镜中心比较远的地点聚种像差。能量大的电子在距透镜中心比较远的地点聚焦，而能量较低的电子在距透镜中心比较近的地点聚焦，而能量较低的电子在距透镜中心比较近的地点聚焦。结果使得由同一物点散射的具有不同能量的电子焦。结果使得由同一物点散射的具有不同能量的电子经透镜后不再会聚于一点，而是在像面上形成一漫射经透镜后不再会聚于一点，而是在像面上形成一漫射圆斑。

23、圆斑。40l由于上述像差的存在，虽然电子波长只有光由于上述像差的存在，虽然电子波长只有光波长的十万分之一左右，但尚不能使电磁透波长的十万分之一左右，但尚不能使电磁透镜的分辨率提高十万倍。镜的分辨率提高十万倍。41a.a.景深景深 透镜的景深是指在保持像清晰的前提下，试透镜的景深是指在保持像清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离（或者说样在物平面上下沿镜轴可移动的距离（或者说试样超越物平面所允许的厚度）试样超越物平面所允许的厚度）。换言之，在景深范围内，样品位置的变化换言之，在景深范围内，样品位置的变化并不影响物像的清晰度。并不影响物像的清晰度。 42从原理上讲，当透镜的焦距一定时，物

24、从原理上讲，当透镜的焦距一定时，物距和像距的值是确定的，这时只有一层样距和像距的值是确定的，这时只有一层样品平面与透镜的理想物平面相重合。品平面与透镜的理想物平面相重合。43为什么还存在景深？为什么还存在景深？偏离理想物平面的特点都存在一定程度的失偏离理想物平面的特点都存在一定程度的失焦，它们在透镜的像平面上将产生一个具有一焦，它们在透镜的像平面上将产生一个具有一定尺寸的定尺寸的失焦圆斑失焦圆斑。如果失焦圆斑的尺寸不超。如果失焦圆斑的尺寸不超过由衍射效应和像差引起的过由衍射效应和像差引起的散焦斑散焦斑，则不会影，则不会影响电镜的分辨率。响电镜的分辨率。 44因为衍射和像差的存在因为衍射和像差的

25、存在如果把透镜物平面允许的轴如果把透镜物平面允许的轴向偏差定义为透镜的景深，用向偏差定义为透镜的景深，用Df表示。则景深大小表示。则景深大小Df与物镜的分与物镜的分辨率辨率r0、孔径半角、孔径半角用下式表示：用下式表示： Df 2r0/45上式表明，电磁透镜的孔径上式表明，电磁透镜的孔径半角越小，景深越大；分辨半角越小，景深越大；分辨率越大，景深越大。率越大，景深越大。 一般电磁透镜的一般电磁透镜的102103 rad，因此，因此Df(2002000)r0若若r01nm，则则 Df2002000nm 即电子显微镜对于高度相差在即电子显微镜对于高度相差在200nm的物体，的物体，可以同时聚焦在成

26、像平面上。可以同时聚焦在成像平面上。46b.b.焦长焦长焦深（或焦长）是指在保持像清晰的前焦深（或焦长）是指在保持像清晰的前提下，像平面沿镜轴可移动的距离，或者说提下，像平面沿镜轴可移动的距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。 47同样，当透镜焦距和物同样，当透镜焦距和物距一定时，像平面沿轴向一距一定时，像平面沿轴向一定距离内移动，也会引起失定距离内移动，也会引起失焦。但如果所引起的失焦尺焦。但如果所引起的失焦尺寸不大于其他原因所引起的寸不大于其他原因所引起的散焦斑大小，则对透镜的分散焦斑大小，则对透镜的分辨率没有影响。辨率没有影响。 DL

27、2 r0M2/=DfM248一般的电镜焦长都超过一般的电镜焦长都超过10-20cm10-20cm。因此，只要图象在显示屏上是清晰的，那么因此，只要图象在显示屏上是清晰的，那么在屏的上下在屏的上下10cm10cm范围放置胶片，得到的图范围放置胶片，得到的图象依然是清晰的。象依然是清晰的。49偏光、反光、锥光偏光、反光、锥光电子衍射装置、特征电子衍射装置、特征X X射线波谱射线波谱仪、特征仪、特征X X射线能谱仪、俄歇电子射线能谱仪、俄歇电子谱仪谱仪主要附件主要附件光学透射、反射、干涉像光学透射、反射、干涉像透射电子像、二次电子像、背散透射电子像、二次电子像、背散射电子像、吸收电子像、射电子像、吸

28、收电子像、X X射线面射线面扫描像、扫描像、X X射线线扫描像等射线线扫描像等主要图象主要图象彩色或黑白彩色或黑白黑白灰度黑白灰度图象特点图象特点机械聚焦机械聚焦电子聚焦、计算机控制电子聚焦、计算机控制聚焦原理聚焦原理10001000倍时倍时0.1um0.1um10001000倍时倍时30um30um景深景深10102000 2000 换镜头换镜头10101 1百万百万, ,连续可调连续可调放大倍数放大倍数可见光区可见光区 200nm200nm紫外光区紫外光区 100nm100nm0.01nm0.01nm分辨率分辨率光学透镜（玻璃透镜）光学透镜（玻璃透镜）电子透镜（电磁铁）电子透镜（电磁铁）透

29、镜透镜大气大气真空真空 10104 410109 9媒介媒介可见光可见光 4000400075007500电子束电子束 波长波长 0.0370.037光源光源光学透镜光学透镜电磁透镜电磁透镜4 4 电磁透镜与光学显微镜的比较电磁透镜与光学显微镜的比较50包括以下三种类型的仪器：包括以下三种类型的仪器：扫描电子显微镜扫描电子显微镜 Scanning Electron Microscopy Scanning Electron Microscopy （SEMSEM）透射电子显微镜透射电子显微镜 Transparent Electron MicroscopyTransparent Electron M

30、icroscopy（TEMTEM）电子探针电子探针 Electron Probe Microscopic analyzerElectron Probe Microscopic analyzer（EPMAEPMA）51四、电子显微镜的类型及用途四、电子显微镜的类型及用途扫面电子显微镜（扫面电子显微镜（JSM-35CF) 环境扫描电子显微镜（环境扫描电子显微镜（QUANTA200) 日本电子公司日本电子公司 飞利普公司飞利普公司 分辨率：分辨率：6nm 分辨率：分辨率：3.5nm扫描电子显微镜用途：用途：微形貌观察微形貌观察 (微区成分分析)5253FEG-SEMFEI有限公司SU8010日本日立

31、公司分辨率：1nm 电子探针（电子探针（JCXA-733) 日本电子公司日本电子公司电子探针显微分析系统电子探针显微分析系统 （JXA-8100 ) 日本技术日本技术JEOL珠式会社珠式会社 电子探针用途：微区成分分析用途：微区成分分析54透射电子显微镜CM12/STEM荷兰飞利浦公司荷兰飞利浦公司 用途：用于微结构分析用途：用于微结构分析55凹凸棒石凹凸棒石绿泥石绿泥石蒙脱石蒙脱石叶片状伊利石叶片状伊利石发状海泡石发状海泡石57Si 纳米线结构纳米线结构(电压电压 5 keV)碳纳米管碳纳米管(30(30万倍万倍二氧化钛纳米管阵列二氧化钛纳米管阵列掺银尼龙掺银尼龙6复合材料复合材料(100n

32、m)作业作业1 1、简述电磁透镜的聚焦原理、简述电磁透镜的聚焦原理2 2、简述电磁透镜的缺陷、简述电磁透镜的缺陷3 3、电磁透镜与光学显微镜的区别、电磁透镜与光学显微镜的区别4 4、常用电子显微镜的类型及用途、常用电子显微镜的类型及用途58中国地质大学中国地质大学( (武汉武汉) )材化材化学院学院The Faculty of Material Science & Chemistry ,China University of Geosciences60第二章 电子束与物质作用产生的信号第三章 扫描电子显微镜的结构及工作原理 第四章 扫描电子显微镜的操作与应用主要内容第一章 电子光学基础

33、61第二章第二章 电子束与物质作用产生的信号电子束与物质作用产生的信号62 只有了解上述物理信息的产生原理及只有了解上述物理信息的产生原理及所代表的含义，才能设法检测它们、利用所代表的含义，才能设法检测它们、利用它们。它们。l 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 (SEM)(SEM)l 透射电子显微镜透射电子显微镜 (TEM)(TEM)l 电子探针电子探针 (EPMA)(EPMA) 分别侧重于对上述某一方面或几方面分别侧重于对上述某一方面或几方面的信息进行测量分析的。的信息进行测量分析的。632.1 2.1 二次电子及其成像二次电子及其成像钛酸铋钠粉体的六面体形貌钛酸铋钠粉体的六面体形貌 20000

34、20000绿泥石绿泥石1 1、二次电子的产生原理、二次电子的产生原理u 二次电子是指被入射电子轰击出来的样品中二次电子是指被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子原子的核外电子。u由于原子核外层价电子间的结合能很小，由于原子核外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，即可脱离原子核变成应的结合能的能量后，即可脱离原子核变成自由电子。自由电子。64u那些能量大于那些能量大于材料逸出功材料逸出功的自由电子可从样的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电二次电子子。65

35、66（1 1）二次电子发生在材料表面二次电子发生在材料表面5-10nm5-10nm的的区域，能量为区域，能量为0-50eV0-50eV，大部分为，大部分为2 23eV3eV。 因为只有在这个深度范围，由于入射因为只有在这个深度范围，由于入射电子激发而产生的自由电子，才具有足够电子激发而产生的自由电子，才具有足够的能量，克服材料表面的势垒，从样品中的能量，克服材料表面的势垒，从样品中发射出来，成为二次电子。发射出来，成为二次电子。2 2、二次电子的特点、二次电子的特点 （2 2） 二次电子产额：二次电子产额：二次电子产额与以下三个因素有关：二次电子产额与以下三个因素有关：a a、样品的成分、样品

36、的成分不同元素发射二次电子的能力不同，不过这个不同元素发射二次电子的能力不同，不过这个差别较小。差别较小。67 b b、入射电子的能量与加速电压、入射电子的能量与加速电压68所以，二次电子发射率的最高值出现在入射电子特定能所以，二次电子发射率的最高值出现在入射电子特定能量的电压上。量的电压上。69 c、入射电子束与试样表面法线之间的夹角、入射电子束与试样表面法线之间的夹角入射电子束与试样表面法线之间的夹角满足以下关系：入射电子束与试样表面法线之间的夹角满足以下关系： k/cos ：二次电子产额；：二次电子产额； k ：比例常数：比例常数 ：电子束与试样表面法线之间的夹角：电子束与试样表面法线之

37、间的夹角可见，入射电子束与试样法线之间的夹角越大，可见，入射电子束与试样法线之间的夹角越大，二次电子产额也越大。二次电子产额也越大。70Why?71产生上述规律的原因：产生上述规律的原因：I.I.随着随着角的增加角的增加, ,入射电子束在样品表层范围入射电子束在样品表层范围内运动的总轨迹增长，引起价电子电离的机会内运动的总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多，产生二次电子数量就增加；增多，产生二次电子数量就增加；10nms1s2s3= 0= 30= 60S=d/cos ，s1s220后，其信号强度随Z变化很小。 （2）背散射电子产额Z40的范围内，背散射电子的产额对原子序数十分敏感。84背射电子

38、的产额随样品的原子序数增大而背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，所以背散射电子信号的强度与增加，所以背散射电子信号的强度与样品的化样品的化学组成学组成有关，即与组成样品的各元素有关，即与组成样品的各元素平均原子平均原子序数序数有关。有关。iiizcZ4332ZI背散射电子的信号强度背散射电子的信号强度I I与原子序数与原子序数Z Z的关系为的关系为: :式中式中Z Z为原子序数，为原子序数，C C为百分含量为百分含量(Wt%)(Wt%)。85SiOSiO2 2和和SnOSnO2 2，前者的平均原子序数，前者的平均原子序数为为15.315.3，后者的为，后者的为27.327.3，因此后者的

39、背散，因此后者的背散射强度明显大于前者。射强度明显大于前者。 Example 因此不同的物质相也具有不同的背散因此不同的物质相也具有不同的背散射能力，用背散射电子的测量亦可以大射能力，用背散射电子的测量亦可以大致的确定材料中致的确定材料中物质相态的差别物质相态的差别。 背散射电子像亦称为成分像。背散射电子像亦称为成分像。2 2、背散射电子成像原理、背散射电子成像原理( (原子序数衬度原理）原子序数衬度原理）样品表面上平均原子序数大的部位产生较强的样品表面上平均原子序数大的部位产生较强的背散射电子信号，形成较亮的区域；而平均原子序背散射电子信号，形成较亮的区域；而平均原子序数较低的部位则产生较少

40、的背散射电子，在荧光屏数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数原子序数衬度衬度。8687 另外,背散射电子也可以用来显示形貌衬度,但是用背散射信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子低。 背散射电子能量较高，以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背散射电子，而掩盖了许多有用的细节;所以背散射电子像也被称为有影像; 背散射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。 背散射电子成像背散射电子成像分辨率一般为分辨率一般为50-200nm50-200n

41、m。883 3、背散射电子像、背散射电子像An image of a (Cu,Al) alloy formed using backscattered electron imaging. The light area is Cu and the dark area is Al.89ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背系耐火材料的背散射电子成分像，散射电子成分像，1000ZrO2-Al2O3-SiO2系系耐火材料的背散射耐火材料的背散射电子像。由于电子像。由于ZrO2相平均原子序数远相平均原子序数远高于高于Al2O3相和相和SiO2 相，所以图中白色相，所以图中白色相为斜锆石，小的相为斜

42、锆石，小的白色粒状斜锆石与白色粒状斜锆石与灰色莫来石混合区灰色莫来石混合区为莫来石斜锆石为莫来石斜锆石共析体，基体灰色共析体，基体灰色相为莫来石。相为莫来石。90 透射电子透射电子是指电子束轰击样品时能透过薄样品是指电子束轰击样品时能透过薄样品（1 1 mm以下）的入射电子。这种透射电子是由直径以下）的入射电子。这种透射电子是由直径很小（很小（10nm10nm）的高能电子束照射薄样品时产生）的高能电子束照射薄样品时产生的，因此，透射电子信号是由的，因此，透射电子信号是由微区的厚度、成分和微区的厚度、成分和晶体结构晶体结构来决定的。来决定的。 2.3 2.3 透射电子透射电子91 入射电子进入样

43、品后，经过多次非弹性散射，入射电子进入样品后，经过多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品足够厚，无透射电子），能量损失殆尽（假定样品足够厚，无透射电子），最后被样品吸收。若在样品和地之间接一个高灵敏最后被样品吸收。若在样品和地之间接一个高灵敏度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信号即由吸收电子提供。号即由吸收电子提供。2.4 2.4 吸收电子吸收电子92吸收电子的产额与背散射电子相反，样品的原子序数越小，背散射电子越少,吸收电子越多;反之样品的原子序数越大，则背散射电子越多，吸收电子越少。入射电子激发固体样品产入射电子激发固体样品产生的四种电子

44、信号强度生的四种电子信号强度与入射电子强度之间的与入射电子强度之间的关系关系ib+is+i+it=i0ib背散射电子信号背散射电子信号is二次电子信号二次电子信号i吸收电子信号强度吸收电子信号强度it透射电子信号强度透射电子信号强度93两边除以两边除以i0，改写成，改写成 1 ib/i0，叫做背散射系数，叫做背散射系数 is/i0，叫做二次电子产，叫做二次电子产额（或发射）系数额（或发射）系数 i/i0，叫做吸收系数；，叫做吸收系数； it/i0，叫做透射系数。，叫做透射系数。94铜样品铜样品吸收电子信号能产生原子序数衬度，同样也可以吸收电子信号能产生原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的微区

45、成分分析。用来进行定性的微区成分分析。吸收电子的检测是以样品本身为检测器，用高增吸收电子的检测是以样品本身为检测器，用高增益的吸收电流放大器，将吸收电流放大，并调试显像益的吸收电流放大器，将吸收电流放大，并调试显像管的亮度，便得到吸收电子像。管的亮度，便得到吸收电子像。吸收电子像与背散射吸收电子像与背散射电子像成反像电子像成反像. .吸收电子像分辨率低，约为吸收电子像分辨率低，约为0.1-10.1-1 mm。9596吸收电子图像吸收电子图像奥氏体铸铁的显微组织奥氏体铸铁的显微组织 (a)(a)背散射电子像背散射电子像 (b)(b)吸收电子像吸收电子像 97特征特征X X射线是高能电子激发原子的

46、内层射线是高能电子激发原子的内层电子，使原子处于不稳定态，从而外层电子电子，使原子处于不稳定态，从而外层电子填补内层空位使原子趋于稳定的状态，在跃填补内层空位使原子趋于稳定的状态，在跃迁的过程中，直接释放出具有特征能量和波迁的过程中，直接释放出具有特征能量和波长的一种电磁辐射，即特征长的一种电磁辐射，即特征X X射线。射线。2.6 2.6 特征特征X X射线射线 98特征特征X X射线的一般发射深度为射线的一般发射深度为0.5-50.5-5 mm范围范围. . 由于各种元素的原子结构不同，跃迁方式各异，由于各种元素的原子结构不同，跃迁方式各异，因而对因而对不同元素不同元素电子跃迁所产生的特征电

47、子跃迁所产生的特征X X射线射线能量能量（或波长）不同（或波长）不同。 只要测出特征只要测出特征X X射线波长，或测出特征射线波长，或测出特征X X射线射线光子的能量，便可确定原子序数光子的能量，便可确定原子序数Z Z，即可确定特，即可确定特征征X X射线发射区所含的化学元素。射线发射区所含的化学元素。99特征特征X X射线的检测射线的检测: :波长色散法（WDS)：测定特征X射线波长，进行成分分析。能量色散法（EDS)：测定特征X射线能量进行成分分析。特征特征X X射线成分分析方法射线成分分析方法: :点分析:测定样品上某个指定点的化学成分线分析:测定某种元素沿给定直线分布的情况面分析:测定

48、某种元素的面分布情况1002.7 2.7 俄歇电子俄歇电子e101当入射电子束照射样品时，俄歇电子与特征当入射电子束照射样品时，俄歇电子与特征X X射线同时产生。可是射线同时产生。可是X X射线的发射几率随原子序数射线的发射几率随原子序数减小而减小。相反，俄歇电子发射几率却显著增大，减小而减小。相反，俄歇电子发射几率却显著增大，而且原子序数较小的元素的俄歇电子谱简单易识。而且原子序数较小的元素的俄歇电子谱简单易识。因此，俄歇电子能谱适合于表面层轻因此，俄歇电子能谱适合于表面层轻元素和超轻元素的分析。元素和超轻元素的分析。 102俄歇电子能量低，平均自由程非常短（一般俄歇电子能量低，平均自由程非

49、常短（一般为为5 52020),),尽管入射电子束能激发出大量俄歇尽管入射电子束能激发出大量俄歇电子，而实际上只有极表面电子，而实际上只有极表面3-53-5范围的俄歇电子范围的俄歇电子才能从样品表面发射出来，工作真空过低，往往才能从样品表面发射出来，工作真空过低，往往使分析结果失真。因此使分析结果失真。因此, ,尽管俄歇电子尽管俄歇电子19251925年被发年被发现，直到现，直到19671967年，高真空（大于年，高真空（大于1010-9-9帕帕) )技术的获技术的获得和高灵敏度电子分析仪器的制成，才使俄歇电得和高灵敏度电子分析仪器的制成，才使俄歇电子作为表面分析的一种重要信息进入了实用阶段。

50、子作为表面分析的一种重要信息进入了实用阶段。 俄歇电子能谱仪必须保持高真空（大于俄歇电子能谱仪必须保持高真空（大于1010-9-9帕帕) )103一些不导电的样品，在高能电子的作用下，一些不导电的样品，在高能电子的作用下，可发射出可见光信号，称之为阴极荧光。可发射出可见光信号，称之为阴极荧光。 它是由这些物质的价电子，在受激态和基态它是由这些物质的价电子，在受激态和基态之间能级跃迁直接释放的之间能级跃迁直接释放的波长比较长、能量比较低波长比较长、能量比较低的光波的光波，波长在可见光范围内。波长在可见光范围内。利用阴极荧光现象研究物体中发光微粒，确利用阴极荧光现象研究物体中发光微粒，确定物质的发

51、光区域及光波波长，也可分析晶体结构、定物质的发光区域及光波波长，也可分析晶体结构、环带构造、缺陷和有无杂质等。对研究发光材料和环带构造、缺陷和有无杂质等。对研究发光材料和发光半导体材料很有价值。发光半导体材料很有价值。2.8 2.8 阴极荧光阴极荧光104信号信号 产生深度产生深度 分辨率分辨率AugerAuger： 0.50.52nm 2nm2nm 2nmSeSe： 5 510nm 10nm 10nm 10001000工作温度（工作温度（K K）260026001800-19001800-1900加热器温度加热器温度真空度（真空度（mmHgmmHg）1010-5-51010-6-61010-

52、9-91010-10-10发射电流（发射电流（A A）1001002502505-205-20能量范围（能量范围（eVeV）3-43-42-32-30.20.2熔点（熔点（）337033702200220033703370仪器分辨率（仪器分辨率（）606035351010三种电子枪的性能比较三种电子枪的性能比较（2 2）电磁透镜）电磁透镜作用作用: :把电子枪的束斑逐渐缩小，使原来直径约为50m的束斑聚焦成一个只有数nm的细小束斑。工作原理：工作原理：电磁聚焦。三组透镜：三组透镜：前两个为强磁透镜，用来缩小电子束光斑直径。第三个是弱磁透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电

53、子轨迹的干扰。112113电磁透镜工作原理电磁透镜工作原理样样 品品缩小了缩小了M1M1倍倍缩小了缩小了M2M2倍倍缩小了缩小了M3M3倍倍电子枪交叉斑电子枪交叉斑“物物”第一聚光镜第一聚光镜一次像（交叉斑）一次像（交叉斑）第二聚光镜第二聚光镜二次像（交叉斑）二次像（交叉斑）三次像（束斑）三次像（束斑）物镜物镜（3 3）消像散器）消像散器当电子光学系统的磁场或电场的轴对称性被破当电子光学系统的磁场或电场的轴对称性被破坏时，原来应该是圆的交叉点像变为细长的坏时，原来应该是圆的交叉点像变为细长的, ,荧光荧光屏上的图像好像流水一样，向一个方向模糊。屏上的图像好像流水一样，向一个方向模糊。像散使图像

54、模糊或重影，它直接影响仪器的分像散使图像模糊或重影，它直接影响仪器的分辨率。辨率。114NSSNFFFFe e115（4）扫描线圈 通过双偏转扫描线圈的作用，使电子束在试样表面和荧光屏上实现同步水平（行扫）和同步垂直（帧扫）二维扫描。116扫描系统示意图扫描系统示意图偏转线圈偏转线圈（上层）（上层）偏转线圈偏转线圈（下层）（下层）偏转中心偏转中心像散校正线圈像散校正线圈试样试样入射电子束入射电子束会聚透镜会聚透镜y y2 2y y2 2y y1 1X X2 2X X1 1X X1 1X X2 2y y1 1 扫描速度可通过改变扫描线圈电源的锯齿波电流周期实现。 快速扫描：快速扫描：0.02s、

55、0.5s等，多用于寻找视场，5s、10s ，用于一般观察， 慢速扫描：慢速扫描：40-50s，用于扫描图像采集。 放大倍数调节：放大倍数调节：改变锯齿波振幅（电流量）。117（4 4）样品室）样品室样品室中主要部件是样品台：移动，050倾斜，360 转动。 118 样品室中还安置各种信号检测器。 样品台还可以带有多种附件，如加热，冷却或拉伸，可进行动态观察。2 2、信号检测、收集和图像显示系统、信号检测、收集和图像显示系统（1 1）信号检测器）信号检测器二次电子检测器，二次电子检测器，背散射电子检测器背散射电子检测器X X射线检测器。射线检测器。 119120二次电子检测器及检测原理示意图二次

56、电子检测器及检测原理示意图a.a.二次电子检测器二次电子检测器121b.b.背散射电子检测器背散射电子检测器在扫描电子显微镜中，通常背散射电子与二在扫描电子显微镜中，通常背散射电子与二次电子通用一个检测器，一般通过改变检测器电次电子通用一个检测器，一般通过改变检测器电压实现，即将二次电子收集极电压改为负的压实现，即将二次电子收集极电压改为负的250V250V左右，以阻挡二次电子进入检测器，接收左右，以阻挡二次电子进入检测器，接收背散射电子。背散射电子。获得背散射电子图像。获得背散射电子图像。122c. c. 特征特征X X射线检测器射线检测器 能量色散谱仪（简称能谱仪能量色散谱仪（简称能谱仪E

57、DSEDS）样品样品主放大器主放大器电子束电子束X X射线射线SiSi（LiLi）场效应晶体管场效应晶体管前置放大器前置放大器多道脉冲多道脉冲分析器分析器CRTCRT电传打字机电传打字机记录器记录器液液 氮氮BeBe窗窗偏压电源偏压电源能谱仪框图能量为数千电子伏特的入射电子束照射到样品上，激发出特征X射线，通过Be窗直接照射到Si(Li)半导体检测器上，使Si原子电离并产生大量电子-空穴对，其数量与X射线能量成正比。123能谱仪的检测原理能谱仪的检测原理产生一个空穴对的最低平均能量为 则由一个X射线光子造成的电子空穴对的数目为:N=E/入射X射线光子的能量越高，N就越大。不同元素发射不同能量的

58、X射线，不同能量的X射线将产生不同的电子空穴对数。如：Fe的K辐射可产生1685个电子空穴对，而Cu为2110个。 通过通过对对Si(Li)Si(Li)检测器检测器加偏压（一般为加偏压（一般为-500-500-1000V)-1000V)，可分离，可分离收集收集电子空穴对电子空穴对，并用场效应管前置放大器将其转换成，并用场效应管前置放大器将其转换成电流脉冲电流脉冲。再由主放大器转换成。再由主放大器转换成电压脉冲电压脉冲，然后送到，然后送到多道脉冲分析器多道脉冲分析器。 例如对例如对FeFe的的KK来说，来说，V=0.27mVV=0.27mV，对，对CuCu的的KK，V=0.34mVV=0.34m

59、V。 即不同元素产生的脉冲高度不一样。即不同元素产生的脉冲高度不一样。 多道脉冲高度分析器中的数模转换器首先把脉冲信号转换成多道脉冲高度分析器中的数模转换器首先把脉冲信号转换成数字信号数字信号，建立起电压脉冲幅值与道址的对应关系建立起电压脉冲幅值与道址的对应关系（道址号与（道址号与X X光子能量间存在对应关系）。光子能量间存在对应关系）。 电压脉冲高度越高，道址号越高。电压脉冲高度越高，道址号越高。124 常用的常用的X X射线能量范围在射线能量范围在0.2-20.48keV0.2-20.48keV。 如果总道址数为如果总道址数为10241024，那么每个道址对应的能量范围是，那么每个道址对应

60、的能量范围是20eV20eV。 X X光子（射线）能量低的对应道址号小，高的对应道址号光子（射线）能量低的对应道址号小，高的对应道址号大。根据不同道址上记录的大。根据不同道址上记录的X X射线的数目，就可以确定各种元射线的数目，就可以确定各种元素的素的X X射线强度。射线强度。 然后，在然后，在X-YX-Y记录仪或阴极射线管上把脉冲数与脉冲高度曲记录仪或阴极射线管上把脉冲数与脉冲高度曲线显示出来，这就是线显示出来，这就是X X射线的能谱曲线。射线的能谱曲线。125（2 2）图像显示和记录系统）图像显示和记录系统样品表面和荧光屏上同步扫描亮度、对比度、放大倍数调节照相和图像数字输出1263 3、电源系统和真空系